You hear the gentle lap of waves, the distant cawing of a seagull. But then an annoying whine interrupts the peace, getting closer, and closer, and closer. Until...whack! You dispatch the offending mosquito, and calm is restored.
Tu dzirdi liegus viļņu šļakstus un tālu kaijas ķērcienu, bet pēkšņi mieru pārtrauc kaitinoša sīkšana, kas nāk arvien tuvāk un tuvāk, un tuvāk. Un pēkšņi... sitiens! Tu tiec vaļā no kaitinošā oda, un miers ir atjaunots.
How did you detect that noise from afar and target its maker with such precision? The ability to recognize sounds and identify their location is possible thanks to the auditory system. That’s comprised of two main parts: the ear and the brain. The ear’s task is to convert sound energy into neural signals; the brain’s is to receive and process the information those signals contain.
Kā tu noteici attālo skaņu un tik precīzi nomērķēji uz tās radītāju? Spēja atpazīt skaņas un noteikt to atrašanās vietas ir iespējama, pateicoties dzirdes sensorajai sistēmai. Tā sastāv no divām daļām: auss un smadzenēm. Auss uzdevums ir pārvērst skaņas enerģiju nervu signālos, savukārt smadzenēm jāuztver un jāapstrādā šajos signālos ietvertā informācija.
To understand how that works, we can follow a sound on its journey into the ear. The source of a sound creates vibrations that travel as waves of pressure through particles in air, liquids, or solids. But our inner ear, called the cochlea, is actually filled with saltwater-like fluids. So, the first problem to solve is how to convert those sound waves, wherever they’re coming from, into waves in the fluid. The solution is the eardrum, or tympanic membrane, and the tiny bones of the middle ear. Those convert the large movements of the eardrum into pressure waves in the fluid of the cochlea.
Lai saprastu, kā tas darbojas, varam aplūkot skaņas ceļojumu ausī. Skaņas avots rada svārstības, kas spiediena viļņu veidā iziet cauri gāzveida, šķidrumu vai cietu vielu daļiņām. Bet iekšējā auss – gliemezis – ir pildīta ar sālsūdenim līdzīgiem šķidrumiem. Tātad, pirmais jautājums – kā pārvērst šos skaņas signālus, lai arī no kurienes tie nāktu, viļņos šķidrumā. Atbilde ir bungplēvīte un sīkie vidusauss kauliņi. Tie pārvērš lielās bungplēvītes kustības spiediena viļņos gliemeža šķidrumā.
When sound enters the ear canal, it hits the eardrum and makes it vibrate like the head of a drum. The vibrating eardrum jerks a bone called the hammer, which hits the anvil and moves the third bone called the stapes. Its motion pushes the fluid within the long chambers of the cochlea. Once there, the sound vibrations have finally been converted into vibrations of a fluid, and they travel like a wave from one end of the cochlea to the other. A surface called the basilar membrane runs the length of the cochlea. It’s lined with hair cells that have specialized components called stereocilia, which move with the vibrations of the cochlear fluid and the basilar membrane. This movement triggers a signal that travels through the hair cell, into the auditory nerve, then onward to the brain, which interprets it as a specific sound.
Skaņai ienākot auss kanālā, tā pieskaras bungplēvītei un iesvārsta to kā bungu virsmu. Bungplēvītes svārstības iekustina kaulu – āmuriņu, kas sit pa laktiņu un iekustina trešo kaulu – kāpslīti. Šī kustība virza šķidrumu pa garajiem gliemeža kanāliem. Tur skaņas vibrācijas beidzot ir pārvērstas par šķidruma svārstībām un viļņveidīgi dodas cauri gliemezim no viena gala uz otru. Virsma – bazilārā membrāna – klāj gliemezi visā tā garumā. Tā ir noklāta ar matiņšūnām, uz kurām ir īpašas skropstiņas – stereocilijas. Tās kustās līdzi gliemeža šķidruma un bazilārās membrānas svārstībām. Kustības rada signālu, kas ceļo pa matiņšūnu uz dzirdes nervu, pēc tam uz smadzenēm, kas to atpazīst kā noteiktu skaņu.
When a sound makes the basilar membrane vibrate, not every hair cell moves - only selected ones, depending on the frequency of the sound. This comes down to some fine engineering. At one end, the basilar membrane is stiff, vibrating only in response to short wavelength, high-frequency sounds. The other is more flexible, vibrating only in the presence of longer wavelength, low-frequency sounds. So, the noises made by the seagull and mosquito vibrate different locations on the basilar membrane, like playing different keys on a piano.
Kad skaņa rada bazilārās membrānas svārstības, nekustās visas matiņšūnas, tikai atsevišķas, atkarībā no skaņas frekvences. Tā pamatā ir smalka inženierija. Vienā galā bazilārā membrāna ir neelastīga un svārstās tikai īso viļņu ietekmē, no augstas frekvences skaņām. Otrā galā tā ir elastīgāka un svārstās garāku viļņu vadīta, no zemas frekvences skaņām. Tātad, kaijas un oda radītās skaņas iesvārsta bazilāro membrānu atšķirīgās vietās, gluži kā nospiežot dažādus klavieru taustiņus.
But that’s not all that’s going on. The brain still has another important task to fulfill: identifying where a sound is coming from. For that, it compares the sounds coming into the two ears to locate the source in space.
Taču tas nav viss. Smadzenēm jāveic vēl viens svarīgs uzdevums – jānosaka, no kurienes skaņa nāk. Lai to paveiktu, smadzenes salīdzina abās ausīs ienākošās skaņas, tādējādi nosakot skaņas avotu telpā.
A sound from directly in front of you will reach both your ears at the same time. You’ll also hear it at the same intensity in each ear. However, a low-frequency sound coming from one side will reach the near ear microseconds before the far one. And high-frequency sounds will sound more intense to the near ear because they’re blocked from the far ear by your head.
Skaņa, kas nāk tieši no priekšpuses, abas ausis sasniegs vienlaikus. Arī skaņas intensitāte abās ausīs būs vienāda. Savukārt no sāna nākoša zemas frekvences skaņa tuvāko ausi sasniegs dažas milisekundes pirms tālākās. Augstas frekvences skaņas tuvākajai ausij izklausīsies intensīvākas, jo uz tālāko ausi tām traucē nonākt galva.
These strands of information reach special parts of the brainstem that analyze time and intensity differences between your ears. They send the results of their analysis up to the auditory cortex. Now, the brain has all the information it needs: the patterns of activity that tell us what the sound is, and information about where it is in space.
Šī informācija sasniedz īpašas smadzeņu stumbra daļas, kas analizē laika un intensitātes atšķirības starp abām ausīm. Analīzes rezultāti tiek nosūtīti uz dzirdes centru smadzenēs. Tagad smadzenēm ir visa nepieciešamā informācija: ziņas par to, kāda šī skaņa ir un kur telpā tā atrodas.
Not everyone has normal hearing. Hearing loss is the third most common chronic disease in the world. Exposure to loud noises and some drugs can kill hair cells, preventing signals from traveling from the ear to the brain. Diseases like osteosclerosis freeze the tiny bones in the ear so they no longer vibrate. And with tinnitus, the brain does strange things to make us think there’s a sound when there isn’t one.
Ne visiem ir normāla dzirde. Dzirdes zudums ir trešā izplatītākā hroniskā saslimšana pasaulē. Skaļi trokšņi un dažas vielas var bojāt matiņšūnas, neļaujot skaņas signāliem no ausīm nonākt smadzenēs. Tāda slimība kā osteoskleroze sastindzina sīkos auss kauliņus, tāpēc tie vairs nekustās. Savukārt tinīta gadījumā smadzenes sāk rīkoties dīvaini, liekot mums dzirdēt skaņu, kuras nemaz nav.
But when it does work, our hearing is an incredible, elegant system. Our ears enclose a fine-tuned piece of biological machinery that converts the cacophony of vibrations in the air around us into precisely tuned electrical impulses that distinguish claps, taps, sighs, and flies.
Taču, ja dzirde strādā, tā ir neticami eleganta sistēma. Mūsu ausis slēpj precīzi iestatītu bioloģiskas mašīnas piemēru, kas apkārtējo svārstību kakofoniju pārvērš par precīziem elektriskajiem impulsiem, spējot atšķirt aplausu, ūdenskrānu, nopūtu un lidoņu radītās skaņas.